劉振興

（亮月亮科技(北京)有限公司，北京 101100）

軟件編程技術(shù)水平的標(biāo)志性關(guān)鍵點分析與應(yīng)用

劉振興

（亮月亮科技(北京)有限公司，北京 101100）

軟件編程技術(shù)水平的考評與分級是困難的, 同時也是必要的。本文在相關(guān)文獻(xiàn)檢索和經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上提出了軟件編程技術(shù)水平的三個具有標(biāo)志性的關(guān)鍵點并逐一對其進(jìn)行簡述和應(yīng)用分析. 這三個分水嶺一樣的關(guān)鍵點是正則表達(dá)式、軟件開發(fā)框架的掌握與運用和現(xiàn)實世界問題數(shù)學(xué)模型創(chuàng)建技能的掌握與運用。與之對應(yīng)地我們稱呼具備相應(yīng)技能水平的人員為工程師、高級工程師和技術(shù)專家。

軟件編程；技術(shù)水平；正則表達(dá)式；軟件開發(fā)框架；數(shù)學(xué)建模

0 引言

計算機(jī)專業(yè)及軟件產(chǎn)業(yè)屬知識密集型領(lǐng)域，其中最重要的資源是人力資源，軟件開發(fā)人才的培養(yǎng)與甄選日益重要。同時，傳統(tǒng)軟件行業(yè)的快速發(fā)展疊加移動互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能戰(zhàn)略布局穩(wěn)步推進(jìn)，催生了大量的軟件開發(fā)從業(yè)人員。對軟件編程水平及能力的評估是一件復(fù)雜而又嚴(yán)肅的事情（-R/02SI，[1-2]），出于對自身或者同行技術(shù)能力的評估需求[3]，也需要在某些方面從某種程度上，對編程水平及能力有些大概粗略的感性認(rèn)識。關(guān)于軟件工程美國 IBM 公司的軟件技術(shù)專家布魯克斯（Frederick Brooks）在其論文中提到軟件編程受目標(biāo)任務(wù)的復(fù)雜度、一致性、可變性和不可見性的約束，在各種約束條件下取得均衡和達(dá)成目標(biāo)就是對軟件編程技術(shù)及水平的考察與驗證[4-5]。

IT行業(yè)技術(shù)巨頭往往會開展一些編程技術(shù)水平認(rèn)證，如微軟公司的MSDN，思科公司的CCIE等；一些行業(yè)學(xué)會、協(xié)會也會推出一些編程技術(shù)水平認(rèn)證，如美國 IEEE下計算機(jī)協(xié)會的各種認(rèn)證和中國計算機(jī)學(xué)會的“CCF計算機(jī)職業(yè)資格認(rèn)證”[6]。這些認(rèn)證往往是基于某些廠商自家產(chǎn)品或者囿于特定領(lǐng)域的認(rèn)證。是否有通用的可供參考的軟件編程水平的參考標(biāo)準(zhǔn)？帶著這個疑問，我們進(jìn)行一些文獻(xiàn)檢索，同時結(jié)合我們多年學(xué)習(xí)、工作中編程實踐、思考與經(jīng)驗總結(jié)，在本文如下部分提供如下三點作為軟件編程技術(shù)水平的參考。

中國近代學(xué)者王國維將做學(xué)問的狀況劃分為三個境界，分別是“望盡天涯路”、“為伊消得人憔悴”和“那人卻在燈火闌珊處”。寫程序研發(fā)軟件也有如下三個具有標(biāo)志性的關(guān)鍵點，我們稱之為軟件編程的三個分水嶺一樣的標(biāo)志性關(guān)鍵點，他們分別是正則表達(dá)式的運用、軟件開發(fā)框架的掌握與運用和現(xiàn)實問題數(shù)學(xué)建模的掌握與運用。

余下的章節(jié)中，第二節(jié)我們討論了正則表達(dá)式及模式識別相關(guān)的理論及技術(shù)應(yīng)用，第三節(jié)討論了軟件開發(fā)框架在軟件研發(fā)及其生命周期中的地位及作用，第四節(jié)討論了針對現(xiàn)實世界問題進(jìn)行數(shù)學(xué)模型創(chuàng)建的相關(guān)應(yīng)用，然后是針對全文的總結(jié)和展望。

1 正則表達(dá)式

正則表達(dá)式（Regular Expression）使用單個字符串來描述、匹配一系列符合某個句法規(guī)則的字符串，可以視之為狹義上的模式識別（Pattern Recognition），也可以將其視作在某種編程語言下的子類語言——用來描述其他語言的“語法”。使用它有一定的難度，句法全由符號表達(dá)，看起來抽象，可讀性差，不容易理解。比如：

/^([0-9]{1,6})$/g

表示任意1位到6位的數(shù)字，也即0~999999 ，在匹配結(jié)果集中，將反向引用被匹配到的數(shù)字串，

/^(d{1,6})$/

表示與前文相關(guān)的語法。下圖（圖 1）展示一個正則表達(dá)式工作機(jī)制的應(yīng)用程序[6]，將前述正則表達(dá)式輸入到“Regular Expression”相關(guān)區(qū)域，在“Test String”里輸入相應(yīng)待檢測、匹配的文字，則下面“Match Information”區(qū)域會顯示匹配過程及結(jié)果。

圖1 正則表達(dá)式匹配樣例Fig.1 Example of regular expression

正則表達(dá)式被廣泛的應(yīng)用于很多軟件中，包括*nix（Linux, Unix等）、HP等操作系統(tǒng)，PHP、C#、Java 等開發(fā)環(huán)境，以及很多的應(yīng)用軟件中，都可以看到正則表達(dá)式的影子。如對外部輸入的校驗、提取，對目標(biāo)對象的格式化等。

每種編程語言在進(jìn)階開發(fā)和使用時都有不少需要特別關(guān)注的地方，如指針、內(nèi)存、鏈表和樹、正則匹配等，若在這些不同的語言之間尋找共性的進(jìn)階開發(fā)所需掌握的技能，則正則表達(dá)式是其中關(guān)鍵點之一。

掌握了某種編程語言的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和流程控制之后，一名軟件工程師（或稱程序員）若能夠運用某種編程語言進(jìn)行讀寫文件、數(shù)據(jù)庫和通過網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)，則其就是一名合格的軟件工程師。具備這樣素質(zhì)的人可以勝任一般的軟件開發(fā)任務(wù)，能夠面向任務(wù)較好地完成給定的軟件開發(fā)需求，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

由于計算機(jī)科學(xué)興起之處，其主要應(yīng)用是對數(shù)據(jù)和文本的處理，所以正則表達(dá)式成為進(jìn)階開發(fā)的必由之路也在情理之中。初階的開發(fā)人員往往止步于使用字符串查找、分割等方式來部分地完成相應(yīng)功能。

正則表達(dá)式本身就是一門學(xué)問，已經(jīng)有很多書籍專門就此展開詳述，其中有本《精通正則表達(dá)式》（Mastering Regular Expressions）的書[8]，在豆瓣網(wǎng)有一個廣為贊許的評價為面向“愿意從一個代碼工人向?qū)＜疫M(jìn)化的”（-R/A2SI ）。

相比較而言，掌握和熟練使用正則表達(dá)式工具的軟件編程人員能夠高效而準(zhǔn)確地實現(xiàn)相應(yīng)的功能，我們稱之為第一個分水嶺。

2 軟件開發(fā)框架

軟件開發(fā)框架（Software Development Framework）軟件開發(fā)框架（Framework）是代碼組織和軟件邏輯實現(xiàn)的思考方式。這種思考更多的是“管理”的視角，而非計算科學(xué)技術(shù)的視角。這種管理的方式是建立在對軟件編程技術(shù)較深入、全面理解的基礎(chǔ)上的。一般意義上的軟件框架，是指為解決一個開放性的計算問題而設(shè)計的具有一定約束性的軟件支撐結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)上可以根據(jù)具體問題擴(kuò)展、安插更多的組成部分，從而更迅速和方便地構(gòu)建完整的解決問題的IT技術(shù)方案[9-12]。軟件框架本質(zhì)上是整個或部分系統(tǒng)的可重用設(shè)計，表現(xiàn)為一組抽象構(gòu)件及構(gòu)件實例間交互的方法。簡而言之，是構(gòu)建結(jié)構(gòu)及實例交互方法的結(jié)合體。

一名軟件編程人員在掌握了某一種編程語言之后，隨著所解決的單個、多個任務(wù)的積累，終將會面臨一個復(fù)雜任務(wù)——任務(wù)復(fù)雜到不能通過一個或幾個小程序能夠?qū)崿F(xiàn)和滿足其功能，這時候就需要從整體上思考，需要多少個程序（模塊），這些程序和模塊之間如何交互軟件框架就是要回答這些問題。

2.1 軟件開發(fā)框架的特征

軟件框架是成功軟件項目的一般化實現(xiàn)。進(jìn)入視野或者進(jìn)行開源的多數(shù)軟件框架都經(jīng)歷過一個或者多個成功項目的檢驗，是成功經(jīng)驗的積累。軟件編程者當(dāng)完成一個項目后，如果發(fā)現(xiàn)項目本身有可以進(jìn)行一般化處理的代碼段或功能模塊，會對其進(jìn)行封裝以便后續(xù)使用，軟件的組成架構(gòu)設(shè)計也是這樣，當(dāng)發(fā)現(xiàn)所用的設(shè)計具有一般性后，就可以在隨后的項目中繼續(xù)使用，繼而形成“框架”?？蚣懿灰欢ǘ奸_源，一些私有的或者基于開源定制的框架可能在某些方面具有更好的表現(xiàn)。

軟件框架普遍實現(xiàn)了關(guān)注點分離設(shè)計（Separation of Concerns）和代碼復(fù)用（Code Resue）。分離關(guān)注點使得解決特定領(lǐng)域問題的代碼從業(yè)務(wù)邏輯中獨立出來，業(yè)務(wù)邏輯的代碼中不再含有針對特定領(lǐng)域問題代碼的調(diào)用，業(yè)務(wù)邏輯同特定領(lǐng)域問題的關(guān)系通過側(cè)面來封裝、維護(hù)，這樣原本分散在整個應(yīng)用程序中的變動就可以很好的管理起來，如常見的MVC分層設(shè)計（模塊Module、視圖View和控制器Controller）。

代碼復(fù)用本質(zhì)上就是對曾經(jīng)編寫過的程序代碼的一部分甚至全部重新加以利用，從而構(gòu)建新的程序。使用這種方法就可以將程序員從費時費力的重復(fù)勞動中解放出來?？蚣埽悗欤┦且环N代碼復(fù)用的很好的形式。編程人員可以創(chuàng)建內(nèi)部抽象以便程序的部分代碼可被復(fù)用，或者直接創(chuàng)建一個自定義庫給自己使用。一個規(guī)劃和設(shè)計良好的框架應(yīng)該是實現(xiàn)了上述兩點。

圖2 架構(gòu)設(shè)計中的關(guān)注點分離Fig.2 Separation of concerns in framework design

清晰的關(guān)注點分離和高效的代碼復(fù)用是避免軟件項目陷入泥潭（the ball of mud）的基礎(chǔ)和前提，也是軟件項目成功的保證。

2.2 跨語言的軟件開發(fā)框架

各種編程語言分別有許多不同的軟件框架。例如，C++編程語言的框架（類庫）有.Net、STL、Boost、Qt、MFC等；Java編程語言的框架有Structs、JSF、Spring MVC、Wicket、Stripes、Seam、GWA2 等；PHP編程語言的框架有Zend Framework、Yii、Code Igniter、Lavarel、Symfony2、GWA2 等；JavaScript編程語言的開發(fā)框架有Angular.js、Backbone.js、D3、jQuery.js、React.js等。

一個軟件開發(fā)框架一般都與所使用的某種編程語言高度綁定。這一方面是框架需要高度復(fù)合利用了編程語言的特性，使之能夠在該框架下將其性能發(fā)揮至極致；另一方面是框架的開發(fā)者和使用者需要具備指定開發(fā)語言的軟件編程的基本知識。在此之外，也有為數(shù)不多的跨編程語言的軟件開發(fā)框架，比如上文提到的“通用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)（GWA2）[13]”——提出一種軟件架構(gòu)思路，然后分別使用 Java、PHP、Perl、C#等語言進(jìn)行實現(xiàn)，從而有了針對各個編程語言的軟件開發(fā)框架的版本。軟件開發(fā)人員在其中一門編程語言下使用GWA2之后，可以無縫平滑地切換到另外一種開發(fā)語言繼續(xù)使用對應(yīng)版本的GWA2進(jìn)行開發(fā)，重新學(xué)習(xí)成本降低為幾乎為零。

通常軟件編程對軟件框架的應(yīng)用可以分為兩類：學(xué)習(xí)和使用一種軟件框架，或者自行開發(fā)一套軟件框架。學(xué)習(xí)有學(xué)習(xí)的成本[14]，開發(fā)也有相應(yīng)的開發(fā)風(fēng)險。顯然，前者會更多一些，許多軟件編寫都是遵循某種軟件框架而進(jìn)行的。對軟件框架和類庫應(yīng)該持有某種謹(jǐn)慎的態(tài)度，我們在早前針對JavaScript編程的框架做過一些分析（《自行創(chuàng)建類jQuery 的 JavaScript庫》， -R/02SH，[15]），在學(xué)習(xí)成本、需求匹配度和框架性能三個方面需要做一些權(quán)衡。

相比較而言，我們推薦使用具有跨語言特性的軟件開發(fā)框架，由于軟件技術(shù)自身發(fā)展和開發(fā)人員自身成長是日新月異的，所處的時空變換要求每一名開發(fā)人員要掌握兩種以上軟件開發(fā)語言，相應(yīng)地，如果其所依賴和學(xué)習(xí)的軟件開發(fā)框架沒有跨語言特性，則軟件開發(fā)人員就需要付出兩倍的學(xué)習(xí)成本；相反地，如果開發(fā)人員使用的是具有跨語言特性的開發(fā)框架，如上所述的 GWA2，則可以平滑無縫地切換到新編程語言中去，無需再從零開始學(xué)習(xí)另外一種軟件開發(fā)框架。

圖3 GW A2多層架構(gòu)設(shè)計（DBA）Fig.3 Multiple layers in GWA2 (DBA)

像武學(xué)的拳術(shù)一樣，一招一式組成一套拳法，也像文學(xué)的八股一樣，起承轉(zhuǎn)合組成一篇文字，軟件編程中的這套拳法就是“框架”。軟件框架沒有好壞，或者都是“好的”，使用者所需工作是尋找“合適的”，因時因地使用能夠滿足業(yè)務(wù)需求的框架就是合適的，是好的，既要避免不足（Underqualified），也要考慮不會多余（Overqualified）。

我們將軟件編程的第二個分水嶺視為使用軟件框架進(jìn)行開發(fā)。無論是學(xué)習(xí)一個現(xiàn)有的軟件框架或者開發(fā)一個全新的框架，都需要完整的軟件框架知識。開發(fā)一個全新的框架需要知識、勇氣和精力，而學(xué)習(xí)一個現(xiàn)有的框架其應(yīng)用水平該如何來衡量呢？是否對原軟件框架的源代碼遞交過Bug或做過修改、打過補(bǔ)丁，這是在讀懂源代碼的基礎(chǔ)上對軟件框架有進(jìn)一步提升的動議。

3 現(xiàn)實問題數(shù)學(xué)建模

學(xué)習(xí)計算科學(xué)與技術(shù)，在掌握了基本的學(xué)科知識之后，應(yīng)用層面所面臨的專業(yè)細(xì)化就是使用計算機(jī)進(jìn)行文本分析與處理，進(jìn)行圖像的分析與處理，對音頻的分析與處理。對文本、圖像和音頻的計算是三個主要方向，后續(xù)可能還有機(jī)器學(xué)習(xí)或者人工智能，這些是使用計算機(jī)技術(shù)解決現(xiàn)實客觀世界的主要方法和途徑。本質(zhì)上看，作為人工智能的代表方法之一機(jī)器學(xué)習(xí)就是計算機(jī)利用輸入的樣本，調(diào)整一個通用數(shù)學(xué)模型的參數(shù)，使得這個模型能正確地回應(yīng)新的輸入[16]。

在掌握了某一種編程需要的單個程序應(yīng)用，熟悉了由多個程序組成的軟件項目的組織結(jié)構(gòu)和運行流程，接下來就是使用這些知識和技能解決現(xiàn)實世界的問題。對現(xiàn)實世界的問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模是主要方法之一，這樣才能對問題進(jìn)行計算。

具有一定的數(shù)學(xué)思維是進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的前提。觀察客觀世界的現(xiàn)象，抓住其主要特征，抽象出概念或者建立模型；進(jìn)行探索，通過直覺判斷或者歸納推理、類比推理以及聯(lián)想等作出猜測；然后進(jìn)行深入分析和邏輯推理以及計算，揭示事物的內(nèi)在規(guī)律，從而使紛繁復(fù)雜的現(xiàn)象變得井然有序。這其中進(jìn)行分析、推理和計算的過程，就需要借助計算機(jī)進(jìn)行軟件編程。

計算機(jī)領(lǐng)域的實際問題數(shù)學(xué)建模（Mathematical Modeling）需要根據(jù)現(xiàn)實問題設(shè)計相應(yīng)的算法（計算過程），求解描述實際問題的數(shù)學(xué)公式、函數(shù)等，進(jìn)而通過這些數(shù)學(xué)公式、函數(shù)解釋、驗證實際問題，對當(dāng)下進(jìn)行計算，對未來進(jìn)行分析、預(yù)測等[17]。這類知識、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)越來廣泛應(yīng)用到各種個性化、智能化服務(wù)當(dāng)中。

圖4 數(shù)學(xué)建模的邏輯表述Fig.4 Mathematical modeling in logic representation

基于全樣本的大數(shù)據(jù)集，運用測試分析方法開展的機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等越來越多的被應(yīng)用到各種軟件編程應(yīng)用場景。利用機(jī)器使用測試分析方法逐漸取代人工的機(jī)理分析，成為發(fā)現(xiàn)知識和規(guī)律的主要途徑之一。

問題建模是將現(xiàn)實問題簡化，使其變成“可計算”，然后使用編程將可計算的部分以軟件功能的形式表現(xiàn)出來。編程是建模實現(xiàn)的一種重要工具和手段，針對問題進(jìn)行數(shù)據(jù)建模后的擬合、仿真和計算過程才是軟件編程大展身手的地方。在數(shù)學(xué)建模的實踐中，幾乎沒有哪個模型是不需要用到如MatLab、SPSS、Lingo、C/C++或Python這樣的編程工具的。這些將我們用數(shù)學(xué)語言描述的問題再通過計算機(jī)來實現(xiàn)，編制良好的程序確實能極大地幫助我們模型的實現(xiàn)，甚至取得更好的效用。

網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的如此迅速，一些IT公司會面臨各種實際問題需要進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，而這些互聯(lián)網(wǎng)公司往往沒有數(shù)學(xué)專家，只有計算科學(xué)與技術(shù)專家，這就需要此前從事軟件編程工作的人員對實際問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并使用軟件編程來實現(xiàn)它。IT公司面臨的問題既有其本身發(fā)展的需要產(chǎn)生的，也由全社會發(fā)展面臨的難題。機(jī)器翻譯是這樣的，人臉識別、人工智能都是這樣的。逐漸多的，面向各種問題的“算法”工程師、技術(shù)專家的需求量增加，正是這一趨勢的發(fā)展現(xiàn)象。

能不能對現(xiàn)實世界的實際問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，成為我們稱之為第三個分水嶺的關(guān)鍵點。

4 結(jié)論與展望

本文簡要分析了軟件編程技術(shù)水平的三個具有標(biāo)志性的關(guān)鍵點——正則表達(dá)式、軟件開發(fā)框架和數(shù)學(xué)建模。這些分水嶺似的關(guān)鍵點有助于軟件開發(fā)人員甄選，也對軟件開發(fā)人員自身水平認(rèn)識起到一定的參考作用。同時，這些知識點也能夠從另外一些方面引導(dǎo)軟件編程、開發(fā)人員盡快、盡早的掌握這些知識和技能，提升自身知識水平。

對軟件編程的技能對計算科學(xué)與技術(shù)的水平進(jìn)行分層分級是困難的，我們就此列出的三個具有標(biāo)志性意義的考察點在某些場合并不適用。然而，在一般意義上來說，能夠熟練掌握正則表達(dá)式、能夠掌握并對已有軟件框架進(jìn)行修正或者開發(fā)一種軟件框架我們將之視為高級計算技術(shù)人員；能夠?qū)ΜF(xiàn)實世界需求問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并將其映射為軟件應(yīng)用，我們稱之為技術(shù)專家。

計算機(jī)及軟件行業(yè)在不斷發(fā)展變化中。一些編程語言或者編程工具會隨著整體發(fā)展或日益完善或日漸凋零，只有那些隱藏在編程技能背后的原理與思想保持不變，并隨著技術(shù)的進(jìn)步以另外一種編程語言或表現(xiàn)形式再次出現(xiàn)在軟件研發(fā)行業(yè)。

因此，對軟件編程技術(shù)水平的考評既不能以某一個廠商的某種產(chǎn)品為基準(zhǔn)，也不能以一時的技術(shù)平臺或編程工具為依托，從技術(shù)或技能背后的編程原理、編程思想來設(shè)計相應(yīng)的考評體系更能夠全面整體地反映出從業(yè)人員的真實水平，也許未來可能有其他等同于正則表達(dá)式等這三點的參考標(biāo)志出現(xiàn)。

[1] 中國計算機(jī)技術(shù)職業(yè)資格網(wǎng), “計算機(jī)技術(shù)與軟件專業(yè)技術(shù)資格(水平)考試簡介,”10 2015. [聯(lián)機(jī)]. Available:http://www.ruankao.org.cn/focusExam/ksjs/detail/news-0000 5/. [訪問日期: 09 2017].

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[16] 應(yīng)行仁, “什么是機(jī)器學(xué)習(xí),” 中國計算機(jī)學(xué)會通訊, pp.42-45, 04 2017.

[17] 謝金星 和 姜啟源, “清華大學(xué)公開課：數(shù)學(xué)模型-現(xiàn)實世界的理性視角,” 網(wǎng)易公開課, 04 2013. [聯(lián)機(jī)]. Available:http://open.163.com/movie/2013/4/9/6/M98EVI91I_M98PE9 E96.html. [訪問日期: 09 2017].

An Analysis on Key Points of Software Programming Technology Level

LIU Zhen-xing(LYL Sci&Tech (Beijing) Ltd., Beijing 101100, China)

It is not only difficult but also necessary for software programming technology level of assessment and classification in software industry and Internet+ sectors. Based on the related literature search and directional experience, this paper puts forward three key points of software programming technology level and analyzes them briefly on their applications one by one. The watershed-like three points are regular expression, the mastery and application of the software development framework and the mastery and application of the creation of skills in the mathematical model of the real world. Correspondingly, we call them with the appropriate level of skills as the engineers, senior engineers and technical experts.

Software programming; Technology level; Regular expression; Software framework; Mathematical modelling

TP311.5

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.11.036

本文著錄格式：劉振興. 軟件編程技術(shù)水平的標(biāo)志性關(guān)鍵點分析與應(yīng)用[J]. 軟件，2017，38（11）：191-195

劉振興(1977-)，男，碩士研究生，原人民網(wǎng)研究院網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究員，中國計算機(jī)學(xué)會會員(14229M)，主要研究領(lǐng)域：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、互聯(lián)網(wǎng)后臺支撐技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與安全等。